隔離在我們身邊無(wú)處不在，無(wú)論是個(gè)人電子產(chǎn)品、汽車(chē)，還是智能電網(wǎng)、工廠自動(dòng)化......在需確保系統(tǒng)穩(wěn)健可靠運(yùn)行的場(chǎng)合都需要隔離。隔離如此重要主要是源于人們的生活離不開(kāi)高電壓，為了更加經(jīng)濟(jì)高效地輸電，高壓輸電成為關(guān)鍵，隔離技術(shù)則是高壓環(huán)境中守護(hù)安全的重中之重。

隔離技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的機(jī)電繼電器 (EMR) 在高壓開(kāi)關(guān)應(yīng)用中很常見(jiàn)。EMR使用電磁力來(lái)機(jī)械地打開(kāi)和關(guān)閉觸點(diǎn)，具有極低的導(dǎo)通電阻，觸點(diǎn)本質(zhì)上是金屬對(duì)金屬的連接。EMR需要在開(kāi)關(guān)速度和可靠性方面權(quán)衡取舍。繼電器內(nèi)部的活動(dòng)器件是一個(gè)限制因素，開(kāi)關(guān)速度通常在5ms到15ms范圍內(nèi)。隨著時(shí)間的推移和使用，EMR可能會(huì)出現(xiàn)諸如拱起、顫動(dòng)和焊接閉合等故障。

光繼電器是對(duì)傳統(tǒng) EMR 的改進(jìn)，不含有動(dòng)觸點(diǎn)，相比機(jī)械繼電器而言具有更長(zhǎng)久的可靠性。但有設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，例如對(duì)可實(shí)現(xiàn)的功率傳輸?shù)南拗埔约皟?nèi)部LED的老化。此外，光繼電器需要外部限流電阻器，并且通常使用額外的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 來(lái)管理LED的開(kāi)或關(guān)狀態(tài)。

在新一代的汽車(chē)和工業(yè)系統(tǒng)中，隨著應(yīng)用需求的不斷提高，光耦隔離器已經(jīng)難滿足新的隔離挑戰(zhàn)。

如今電動(dòng)汽車(chē)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，高壓電池組作為電動(dòng)汽車(chē)的一項(xiàng)基本賦能技術(shù)，能夠讓牽引逆變器、傳動(dòng)系和其他電子器件運(yùn)行，并產(chǎn)生啟動(dòng)汽車(chē)所需的電能。隨著新一代電動(dòng)汽車(chē)從 400V 電池系統(tǒng)過(guò)渡到800V 電池系統(tǒng)，需要通過(guò)隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件（例如電機(jī)）之間的安全通信。

與此同時(shí)，可再生能源變得越來(lái)越重要，支持和賦能可再生能源可持續(xù)發(fā)展是大勢(shì)所趨?？稍偕茉醋罨镜脑瓌t之一就是盡可能降低能源損失。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是將能量從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)中使用的交流電，從而利用可再生能源發(fā)電?；诟咝Ш统杀拘б娌⒊浞掷每稍偕茉吹淖非螅M可能降低能源損失，需要進(jìn)行高壓配電，因此必須進(jìn)行隔離。而電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)器人和電機(jī)控制等高壓工業(yè)電源對(duì)隔離技術(shù)也有著新的要求：

一是針對(duì)可能損壞設(shè)備或傷害人身安全的高壓浪涌提供保護(hù)；

二是互連時(shí)如涉及較大的接地電位差 (GPD)，則可省去接地環(huán)路；

三是安全地與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的高側(cè)組件通信；

四是在共模瞬態(tài)事件期間保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。

德州儀器(TI)電源開(kāi)關(guān)、接口和照明部門(mén)副總裁兼總經(jīng)理Troy Coleman表示，TI深耕隔離領(lǐng)域近25年，特別是為高壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)隔離制造技術(shù)和集成電路。從推出業(yè)內(nèi)先進(jìn)的SiO2電容隔離器，到發(fā)布和認(rèn)證多千伏級(jí)產(chǎn)品，再到幾百萬(wàn)小時(shí)的可靠性測(cè)試和投資開(kāi)發(fā)300mm制造領(lǐng)域的隔離技術(shù)，TI不斷加快創(chuàng)新并擴(kuò)展產(chǎn)品系列，提供在業(yè)內(nèi)具有超高可靠性的全新隔離產(chǎn)品，同時(shí)降低系統(tǒng)成本和布板空間，解決客戶較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

TI在隔離領(lǐng)域的創(chuàng)新（圖源：TI公司）

      業(yè)內(nèi)先進(jìn)的三類隔離器件

針對(duì)機(jī)械繼電器具有易磨損、溫度依賴性、體積大且價(jià)格不菲等缺點(diǎn)，TI認(rèn)為可以通過(guò)半導(dǎo)體解決方案來(lái)取代機(jī)械繼電器，Troy Coleman表示，這也是助力推動(dòng)電源發(fā)展趨勢(shì)和安全可靠地生產(chǎn)更多電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)之一。

對(duì)此，TI近期推出了三類全新的隔離產(chǎn)品：一類是固態(tài)繼電器，包括TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1兩個(gè)產(chǎn)品；一類是隔離式比較器 AMC23C12；一類是隔離式偏置電源，包括 UCC12050 和 UCC14240-Q1。

      ·TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1

電容式和電感式隔離固態(tài)繼電器 (SSR) 具有性能和成本優(yōu)勢(shì)，并且適合不同級(jí)別的隔離（無(wú)論是基礎(chǔ)型還是增強(qiáng)型）。

TI 推出新型固態(tài)繼電器（圖源：TI公司）

5月10日，TI推出了完全集成電源和信號(hào)隔離功能的固態(tài)繼電器TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1，有助于在工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多千伏級(jí)隔離。產(chǎn)品可提供業(yè)內(nèi)出色的可靠性，幫助提高電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的安全性；同時(shí)還支持超小尺寸的解決方案，降低動(dòng)力總成和 800V 電池管理系統(tǒng)的物料清單 (BOM) 成本。

與EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔離式開(kāi)關(guān)和TPSI3050-Q1隔離式驅(qū)動(dòng)器具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)機(jī)械性能變差的情況。因此，SSR的壽命可靠性是傳統(tǒng)EMR的10倍。TI的SSR還可以在幾微秒內(nèi)進(jìn)行切換，比EMR快幾個(gè)數(shù)量級(jí)（通常需要數(shù)毫秒）。

由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通過(guò)單個(gè)隔離柵集成了電源和信號(hào)傳輸，因此無(wú)需二次偏置電源，從而可以實(shí)現(xiàn)減小解決方案尺寸。

與傳統(tǒng)光繼電器和光耦合器相比，TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有優(yōu)勢(shì)。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性優(yōu)于光繼電器，因?yàn)椴淮嬖贚ED老化情況。無(wú)需外部控制電路，因?yàn)檫壿嬰娖捷斎肟梢灾苯域?qū)動(dòng)系統(tǒng)。

表 1：現(xiàn)有開(kāi)關(guān)解決方案的比較情況

“TI在隔離技術(shù)領(lǐng)域深耕多年，通過(guò)在隔離技術(shù)中集成更多功能，能夠?qū)崿F(xiàn)固態(tài)繼電器解決方案，幫助客戶降低復(fù)雜性，并保持電動(dòng)汽車(chē)等隔離環(huán)境所需的安全性，甚至更輕松地過(guò)渡到 800V 技術(shù)?！盩roy Coleman進(jìn)一步表示，“這些新器件不僅將電源和信號(hào)傳輸集成到了單一芯片，還提供額外的功能和靈活性，使設(shè)計(jì)人員能從設(shè)計(jì)中至少省去三個(gè)元件。與現(xiàn)今市場(chǎng)中的機(jī)電繼電器和固態(tài)光繼電器解決方案相比，TI的解決方案尺寸和 BOM 成本可減少達(dá) 50%?！?/p>

該產(chǎn)品系列面向電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，TI接下來(lái)還將提供適用于工業(yè)特定系統(tǒng)的解決方案。目前TI已在 其官網(wǎng)上發(fā)布了預(yù)量產(chǎn)樣片。同時(shí)也公布了兩種器件的大量資源，包括配套的EVM評(píng)估板，以及很多實(shí)用信息、技術(shù)文章和文檔。

       · AMC23C12

針對(duì)大功率工業(yè)系統(tǒng)（例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光伏逆變器，以及電動(dòng)汽車(chē)充電器、牽引逆變器、車(chē)載充電器和直流/直流轉(zhuǎn)換器等汽車(chē)系統(tǒng)）的快速故障檢測(cè)需求，TI 推出了全新的增強(qiáng)型隔離式比較器 AMC23C12。它是業(yè)內(nèi)超小型的解決方案，可實(shí)現(xiàn)隔離式雙向過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱檢測(cè)，有助于快速檢測(cè)各種故障事件，幫助設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)具有更高容錯(cuò)能力的高壓系統(tǒng)。該器件還結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)比較器功能與穩(wěn)健的電隔離柵，可縮小整個(gè)系統(tǒng)尺寸并降低成本。

AMC23C12 的突出優(yōu)勢(shì)在于：

（1）集成了一個(gè)寬輸入范圍低壓降穩(wěn)壓器、一個(gè)窗口比較器和一個(gè)精密電壓基準(zhǔn)，所有功能集成在增強(qiáng)型隔離式 8 引腳 SLIC 封裝內(nèi)，與分立式方案相比，將解決方案尺寸縮小50%。

（2）在最惡劣情況下跳變閾值精度低于3%，有助于工程師減少設(shè)計(jì)裕度，支持更小尺寸的無(wú)源器件。

（3）小于 400ns 的響應(yīng)時(shí)間，提供超快過(guò)流和過(guò)壓檢測(cè)，從而更好地保護(hù)系統(tǒng)。

（4）通過(guò)單個(gè)外部電阻器實(shí)現(xiàn)可調(diào)跳變閾值，可促進(jìn)不同設(shè)計(jì)重復(fù)使用。

該器件也處于預(yù)量產(chǎn)階段，并已在 TI官網(wǎng)上開(kāi)放訂購(gòu)。TI同時(shí)提供軟件設(shè)計(jì)資源、評(píng)估模塊、技術(shù)文章和數(shù)據(jù)表等內(nèi)容，為設(shè)計(jì)人員提供參考。

      ·UCC12050 和 UCC14240-Q1

隨著工業(yè)系統(tǒng)對(duì)隔離技術(shù)的要求越來(lái)越高，除了隔離，還需要提供高功率密度和低EMI，從而提高產(chǎn)品的效率并簡(jiǎn)化合規(guī)性。對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員而言，在越來(lái)越小的空間內(nèi)提供更多功率的需求仍是主要的電源趨勢(shì)，隨著汽車(chē)和各種不同應(yīng)用具有越來(lái)越多的功能，這一需求也對(duì) EMI 帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

針對(duì)設(shè)計(jì)人員面臨的隔離和 EMI 的雙重挑戰(zhàn)，TI開(kāi)發(fā)出了突破性的集成變壓器技術(shù)，僅指尖大小的UCC12050 和 UCC14240-Q1隔離式偏置電源，能在 IC 尺寸的封裝中實(shí)現(xiàn)隔離式功率傳輸。

TI 集成變壓器技術(shù)（圖源：TI公司）

UCC12050 是 TI于2020 年推出的器件，利用集成變壓器技術(shù)，讓客戶能夠?qū)⑵浣鉀Q方案尺寸縮小 80% 以上。此外，UCC12050 的效率為 50%，功率密度是同類隔離電源模塊的兩倍。它采用新型架構(gòu)，功率約 0.5W，并且可靠性更高、BOM 更小，并簡(jiǎn)化了電路板布局布線。

UCC14240-Q1 是TI在2021年新推出的器件，是該產(chǎn)品系列中的最新器件，同樣利用了TI的專有集成變壓器技術(shù)。此外，UCC14240-Q1 是業(yè)內(nèi)尺寸超小、精度超高的 1.5W 隔離式直流/直流偏置電源模塊。利用這款器件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以將性能、集成和功率密度提高到新水平，它簡(jiǎn)單、易于使用，可加快上市速度。

TI提供了帶有集成變壓器的汽車(chē)類 SPI 可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器和偏置電源參考設(shè)計(jì)，可為牽引逆變器中大功率碳化硅開(kāi)關(guān)提供隔離式偏置和隔離式驅(qū)動(dòng)提供經(jīng)過(guò)測(cè)試的設(shè)計(jì)；可簡(jiǎn)化駕駛員高級(jí)保護(hù)的功能安全認(rèn)證；支持在 800V 動(dòng)力總成中使用高隔離 3kV RMS；提供單個(gè) IC 上的 +15V/-5V 完全隔離轉(zhuǎn)換。

不難看出，TI正在以多種方式支持汽車(chē)平臺(tái)向800V過(guò)渡。電源管理設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)繞不過(guò)低EMI、功率密度、低靜態(tài)電流、低噪聲和隔離，800V系統(tǒng)亦是如此。TI在固態(tài)繼電器方面，將隔離集成到更小體積的封裝，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，并進(jìn)一步降低靜態(tài)電流，以節(jié)省電池壽命；集成隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器方面，通過(guò)減少重量、尺寸和提高800V電動(dòng)汽車(chē)的效率以提高功率密度。

針對(duì)TI如何突破小尺寸封裝挑戰(zhàn)，Troy Coleman表示：“最大的挑戰(zhàn)是將電源、信號(hào)、柵極驅(qū)動(dòng)、場(chǎng)效應(yīng)管等如此多的功能集成到單個(gè)封裝中，與此同時(shí)，還必須保證高電壓的爬電距離和隔離等級(jí)。TI通過(guò)可靠的測(cè)試方法，以及在硅與封裝領(lǐng)域的創(chuàng)新解決方案可以解決這些問(wèn)題。”